Thesis (Ph.D.)--Harvard--Massachusetts Institute of Technology Division of Health Sciences and Technology Program in Medical Engineering and Medical Physics, 1984. / MICROFICHE COPY AVAILABLE IN ARCHIVES AND SCIENCE. / Vita. / Includes bibliographical references. / by Joanne Marie Donovan. / Ph.D.

Thesis (Ph.D.)--Harvard-Massachusetts Institute of Technology Division of Health Science and Technology Program in Medical Engineering and Medical Physics, 1986. / MICROFICHE COPY AVAILABLE IN ARCHIVES AND SCIENCE. / Bibliography: leaves 277-289. / by Paul Albrecht. / Ph.D.

abstract: The challenge of radiation therapy is to maximize the dose to the tumor while simultaneously minimizing the dose elsewhere. Proton therapy is well suited to this challenge due to the way protons slow down in matter. As the proton slows down, the rate of energy loss per unit path length continuously increases leading to a sharp dose near the end of range. Unlike conventional radiation therapy, protons stop inside the patient, sparing tissue beyond the tumor. Proton therapy should be superior to existing modalities, however, because protons stop inside the patient, there is uncertainty in the range. “Range uncertainty” causes doctors to take a conservative approach in treatment planning, counteracting the advantages offered by proton therapy. Range uncertainty prevents proton therapy from reaching its full potential. A new method of delivering protons, pencil-beam scanning (PBS), has become the new standard for treatment over the past few years. PBS utilizes magnets to raster scan a thin proton beam across the tumor at discrete locations and using many discrete pulses of typically 10 ms duration each. The depth is controlled by changing the beam energy. The discretization in time of the proton delivery allows for new methods of dose verification, however few devices have been developed which can meet the bandwidth demands of PBS. In this work, two devices have been developed to perform dose verification and monitoring with an emphasis placed on fast response times. Measurements were performed at the Mayo Clinic. One detector addresses range uncertainty by measuring prompt gamma-rays emitted during treatment. The range detector presented in this work is able to measure the proton range in-vivo to within 1.1 mm at depths up to 11 cm in less than 500 ms and up to 7.5 cm in less than 200 ms. A beam fluence detector presented in this work is able to measure the position and shape of each beam spot. It is hoped that this work may lead to a further maturation of detection techniques in proton therapy, helping the treatment to reach its full potential to improve the outcomes in patients. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Physics 2019

Ce travail est consacré à l'étude de faisabilité d'une imagerie par reconstruction de vertex (IRV) pour le contrôle qualité en temps réel de la thérapie par faisceau d'ions carbone. La détection de vertex d'interactions nucléaires repose sur la détection de particules secondaires : grâce à un dispositif de détection spatiale des fragments chargés (tracker), on peut reconstruire les trajectoires des particules émergeant du patient et les extrapoler jusqu'à leur point d'origine (le vertex)... Dans le cadre de notre étude, la position du vertex est déterminée de deux manières différentes : soit en calculant l'intersection de la trajectoire d'un fragment émergent avec celle de l'ion incident (connue grâce à l'utilisation d'un hodoscope de faisceau placé en amont du patient), soit grâce à l'intersection de la trajectoire de deux fragments émergents détectés en coïncidence. Notre étude de faisabilité de la technique repose sur l'outil de simulation GEANT4. La première partie de l'étude a consisté à valider cet outil grâce à plusieurs expériences réalisées au GANIL (Caen) et au GSI (Darmstadt) avec des ions carbone de différentes énergies dans des cibles d'eau ou de PMMA Par la suite, la comparaison des deux modes de détection des particules secondaires a montré que la technique utilisant l'hodoscope est la plus performante. Enfin, après l'optimisation des principaux paramètres de cette technique, une simulation réaliste montre qu'il est possible de mesurer le parcours des ions avec une précision millimétrique à l'échelle d'une tranche en énergie voire à l'échelle d'un voxel unique.

Ce travail a été consacré au développement d'instrumentation optique pour des applications biomédicales. La technique que nous utilisons est la polarimétrie. Nous avons développé deux instruments : un polarimètre de Mueller en réflexion et un appareil médical dédié à l'examen du col utérin (colposcope) pour l'imagerie en degré de polarisation en temps réel. Les applications ont été de deux types : la visualisation des brûlures radiologiques à un niveau infraclinique et l'amélioration du diagnostic du cancer du col utérin.

<p>At the University Hospital of Umeå, NUS, a new radiation treatment department is being built. The purpose of this master thesis is to evaluate the actual radiation protection outside three out of five treatment rooms in the building, including two Varian and one Siemens accelerator, and to verify that the radiation limits for the staff and the general public, stated by the Swedish Radiation Safety Authority, are obeyed.</p><p>The evaluation of the radiation protection shielding is made through measurements. The nominal photon beam energies 6 and 15 MV (dose rates up to 500 MU/min) can be used, which means that both photons and neutrons will contribute to the effective dose. For the photon measurements, two different GM counters have been used and for the neutron measurements a Neutron detector with a polyethylene moderator and a ³He recoil proton counter tube was applied. The thesis also includes a literature study of the photon and neutron energy spectra outside the treatment rooms in order to check that the measurement equipments are suitable to use.</p><p>The measured doses of the radiation shielding are below the radiation limits per week and year but the measurements indicate too high values per hour, i.e. momentary dose rate, at the height of isocenter of the primary walls and at the gap under the door for all three accelerators. The rooms with the Varian accelerators also show too high values per hour at the secondary wall where the door is attached. However, the limiting value per hour is only a recommendation and no extra reinforcement in therefore required. Nevertheless, one should avoid placing a workplace, for example a writing desk, close to the secondary and primary walls.</p>

L'hadronthérapie est une technique innovante de radiothérapie par ions carbone ou protons visant à améliorer les traitements actuels. La précision balistique accrue renforce la nécessité d'un contrôle du dépôt de dose, si possible en temps réel. Une manière de réaliser ce contrôle est de détecter avec une caméra Compton le gamma prompt émis lors des fragmentations nucléaires pendant l'irradiation du patient. Dans un premier temps, la géométrie de deux types de caméra Compton (double diffusion puis simple diffusion) a été optimisée par simulation Monte Carlo. Cette optimisation a été réalisée en étudiant la réponse des caméras à une source ponctuelle de photons avec un spectre en énergie réaliste. La réponse de la caméra optimisée à l'irradiation d'un fantôme d'eau par un faisceau d'ions carbone ou de protons a ensuite été simulée. Ces simulations ont tout d'abord été confrontées à des mesures effectuées avec un prototype de taille réduite. Ces mesures ont ensuite été utilisées pour évaluer les taux de comptage dans les détecteurs attendus en conditions cliniques. Dans la configuration actuelle de la caméra, ces taux sont élevés et les phénomènes d'empilement risquent d'être problématiques. Enfin, il est démontré que le dispositif étudié est sensible à un déplacement du pic de Bragg de plus ou moins 5 mm malgré les problèmes de coïncidences fortuites et malgré le bruit introduit par l'algorithme de reconstruction utilisé.

At the University Hospital of Umeå, NUS, a new radiation treatment department is being built. The purpose of this master thesis is to evaluate the actual radiation protection outside three out of five treatment rooms in the building, including two Varian and one Siemens accelerator, and to verify that the radiation limits for the staff and the general public, stated by the Swedish Radiation Safety Authority, are obeyed. The evaluation of the radiation protection shielding is made through measurements. The nominal photon beam energies 6 and 15 MV (dose rates up to 500 MU/min) can be used, which means that both photons and neutrons will contribute to the effective dose. For the photon measurements, two different GM counters have been used and for the neutron measurements a Neutron detector with a polyethylene moderator and a 3He recoil proton counter tube was applied. The thesis also includes a literature study of the photon and neutron energy spectra outside the treatment rooms in order to check that the measurement equipments are suitable to use. The measured doses of the radiation shielding are below the radiation limits per week and year but the measurements indicate too high values per hour, i.e. momentary dose rate, at the height of isocenter of the primary walls and at the gap under the door for all three accelerators. The rooms with the Varian accelerators also show too high values per hour at the secondary wall where the door is attached. However, the limiting value per hour is only a recommendation and no extra reinforcement in therefore required. Nevertheless, one should avoid placing a workplace, for example a writing desk, close to the secondary and primary walls.

Au cours de cette thèse une technique d'imagerie ultrasonore nommée "Supersonic Shear Imaging (SSI)", capable de quantifier en temps réel l'élasticité de cisaillement des tissus, a été utilisée pour la caractérisation des tissus biologiques. Des études cliniques et précliniques ont été réalisées pour évaluer le potentiel de la technique pour suivre les changements de propriétés élastiques dus au développement de cancer ou encore aux traitements thérapeutiques. Une étude clinique a été réalisée sur 23 patientes présentant des lésions du sein ayant subi un traitement de chimiothérapie à l'Institut Curie. Le but de cette étude était d'utiliser pour la première fois l'élastographie 3D pour estimer le volume et l'élasticité globale de tumeurs en cours de traitement par chimiothérapie. Les volumes tumoraux estimés sur les images échographiques ont été comparés aux estimations d'imagerie par résonnance magnétique (IRM) et ont montré une bonne corrélation. Les résultats de l'étude ont montré que la 3D-SWE permet de suivre la réaction tumorale à la chimiothérapie en offrant des mesures précises d'élasticité tumorale en trois dimensions tout au long de l'étude. La technique SSI a été utilisée pour la surveillance des tissus cancéreux dans le cadre de deux études précliniques, réalisées chez des souris nues. L'une des études, menée en collaboration avec l'Hôpital Européen Georges-Pompidou (HEGP), vise à comprendre la rigidité pathologie sous-jacente. L'imagerie a été utilisée pour surveiller la croissance et la réaction à la chimiothérapie de carcinomes humains implantés sur des souris. Les résultats ont montré que pour ce modèle particulier de tumeur, le volume tumoral et l'élasticité de la tumeur étaient très bien corrélées. Les analyses histo-pathologiques ont révélé que l'élasticité de la tumeur est également très bien corrélée avec la nécrose tumorale et la fibrose. La deuxième étude préclinique, réalisée en collaboration avec la Faculté de Pharmacie de l'Université Paris Descartes V, a permis d'évaluer la faisabilité d'utiliser l'imagerie d'élasticité pour suivre un traitement anti-vasculaire sur un type particulier de carcinome du côlon humain implanté chez des souris. Les résultats ne montrent pas de tendance claire de variation de l'élasticité associée au traitement. Afin d'étudier de nouveaux paramètres mécaniques supplémentaires qui permettent une meilleure caractérisation des tissus, une méthode combinant des compressions quasi-statiques axiales et la technique SSI a été mise au point pour mesurer la non-linéarité de cisaillement des tissus. Les premières cartes connues de non-linéarité 2D ont été calculées sur des fantômes imitant les tissus et des échantillons ex vivo de foie de boeuf avec une bonne précision.

Purpose: To examine the dosimetric characteristics of Gafchromic EBT3 film when measuring small fields of radiation, and compare it against other common radiation detectors. Methods and Materials: EBT3 film was placed in a solid water phantom and irradiated with 6MV photons, field sizes from 10x10cm2 down to 6x6mm2. The films were scanned with a Vidar DosimetryPRO Advantage Red scanner, and analyzed with RIT113 software. The films were also scanned at different orientations and times to quantify the discrepancies associated with scanning orientation and post-exposure darkening. The same fields were measured with a PTW TN30013 farmer chamber, an Exradin T1 cylindrical ion chamber, a PTW parallel plate ion chamber, and a Sun Nuclear Edge Detector (diode). Output factors were calculated for each detector and compared for accuracy. The output factors were measured from a Varian Clinac iX, Clinac 21EX, Trilogy, and TrueBeam; as well as a Novalis Tx. The outputs from different machines at different clinics were compared. Results: The EBT3 film and Edge Detector were the only detectors that succeeded in accurately measuring the output from all field sizes; the ion chambers were too large and failed for field sizes below 4x4cm2 due to volume averaging. The dose measured with the film increased by an average of 8.8% after one week post-irradiation. The dose measured was also reduced by an average of 4.4% by scanning the film in landscape orientation, as opposed to portrait orientation. It was shown that the output factors for the smallest field of 6x6mm2--successfully measured with film and diode--varied between 0.54-0.74 for five different machines at three different clinics. Conclusions: The feasibility of using Gafchromic EBT3 film to measure very small fields of radiation is confirmed. Of the other 4 detectors used, only the diode was shown to be capable of accurately measuring small fields of radiation. The need to optimize the film dosimetry process--including the time films are scanned post-irradiation, the consistency of the scanning orientation of the calibration and subsequent films, and the measurement procedure on the computer software--is highlighted.